Полупроводниковые фотоприемники. Физические основы работы фотоприемников с одним р-п переходом, страница 10

Вольт-амперная характеристика ФП представляет собой зависимость тока через прибор от величины приложенного к нему электрического напряжения. Различают вольт-амперную характеристику тем-новую и освещенного ФП. Знание темновой вольт-амперной характеристики важно для оценки работы ФП как в фотовольтаическом (ФПВ), так и в диодном режимах (ФД). Разные режимы работы ФП определяют соответствующие требования к вольт-амперной характеристике приборов. Для преобразователей солнечной энергии в электрическую (ФЭП)¹ высокий к. п. д определяется крутизной прямой ветви вольт-амперной характеристики [28]. Выражение для темнового тока можно записать в виде

₁₌₌1₀(_<еяи_/Акт_₁₎₎

(15) /о — ток насыщения;

через   р-п   переход

где / — ток, пропускаемый через р-п переход; А— параметр, характеризующий р-п переход.

Параметр А определяется пр,иродой тока и может быть равным 1—3. Для кремниевых ФЭП этот параметр лежит в интервале от 2 до 3. Ток насыщения, в основном, изменяется в пределах Ю^-5—Ю^-7 А/см², что превышает величину, определяемую теоретически. С увеличением температуры от —70 до 0°С

¹ Фотоприемник, предназначенный для преобразования солнечной или лучистой энергии любого другого излучателя в электрическую, используемый как генератор электрической мощности, в дальнейшем будет называться фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП).

22

ток насыщения кремниевых приборов изменяется незначительно, в области же положительных температур резко возрастает. Параметр А с уменьшением температуры увеличивается. Для ФЭП на основе GaAs при том же параметре А~2 величина тока /₀ лежит в пределах 10~⁹—5 • 10~¹⁰ А/см², т. е. _Ma/_rMZ в достаточной мере соответствует теории. Мп/ип Разница  в  величинах тока  насыще-          II

ния на несколько порядков для GaAs и Si ФЭП оказывает влияние на характеристики этих приборов при работе в фо-товольтаическом режиме. На рис. ^приведены вольт-амперные характеристики ФЭП из GaAs и Si при Г=300 К и освещении приборов лучистым потоком мощностью 800 Вт/м² Из сравнения характеристик видна следующая особенность элементов: напряжение холостого хода U_x х для приборов из GaAs при комнатной температуре в 1,6—1,7 раза превышает значение U_x х для кремниевых элементов, хотя ширина запрещенной зоны A£g(GaAs) примерно лишь в 1,25 раза больше AEg(Si) при той же температуре Величина U_x х может быть выражена через    фототок    /ф,    ток    насыщения    /₀    и    параметр    А

Ь\Клд=Що

ВоП$, к.а&=°13%

0   200 W0 600800 мВ

Рис.   13.  Вольт-амперные

характеристики   ФЭП из

GaAs и Si.

U_x

AkT

-In

(■£+■)■

(16)

Меньший на несколько порядков ток насыщения /₀ обусловливает дополнительное увеличение напряжения холостого хода U_{x х}для ФЭП на основе GaAs.

Эксплуатационными параметрами ФЭП являются: напряжение холостого хода U_{x х}, ток короткого замыкания /_к.з и к. п. д. для максимальной мощности. Значение фототока короткого замыкания ФЭП определяется соотношением

^к.з —

SW

1 +

_Rn_ R_P-n

(17)

где S — интегральная чувствительность ФЭП; W—мощность потока лучистой энергии.

Сопротивление р-n перехода зависит от энергетической освещенности. При малых лучистых потоках R_p-_n^>Rn и I_K3=SW, т. е. ток короткого замыкания линейно зависит от W С увеличением лучистого потока, падающего на ФЭП, R_P-_n уменьшается и соотношение (17) станет нелинейным. Низкое R_n позволяет сохранить неравенство до более высоких значений W.

Максимальная мощность ФЭП численно равна площади наибольшего прямоугольника, который вписывается в вольт-амперную характеристику. Вообще, чем ближе форма вольт-амперной характеристики к прямоугольной, тем больше к. п. д. При этом оптимальным сопротивлением нагрузки  ФЭП  является нагрузка,  на ко-

23

торой выделяется максимальная мощность ФЭП Отношение максимальной мощности ФЭП к произведению U_{x х}/_{к 3} называется коэффициентом заполнения вольт-амперной характеристики ФЭП. Напряжение холостого хода линейно уменьшается с повышением температуры, в то время как ток короткого замыкания линейно •возрастает (рис. 14) {27]. Изменение напряжения холостого хода может  быть  объяснено  быстрым  увеличением  тока  насыщения  при

—I-------1-------1--------1____L___I____J____!___J____I____I____i       i      i      i      i    ~1

"С  -60       -40      -20020W6080

Рис.  14. Зависимость напряжения холостого хода и тока короткого замыкания  кремниевого  ФЭП  от температуры.

повышении температуры. Экспериментальные значения изменения напряжения холостого хода составляют 1,9—2,5 мВ/°С и несколько меняются от элемента к элементу, но постоянны для каждого прибора в большом интервале освещенностей и температур. Изменения тока короткого замыкания обусловлены теми же причинами, что и для спектральных характеристик. Относительное изменение тока короткого замыкания А/ф/(/фАГ) также представляет собой постоянную величину, равную (1,5-^3) • 10~³°С^-1, несколько меняющуюся от элемента к элементу. Абсолютное изменение тока короткого замыкания составляет 2-10^-5 А/см²°С. Однако ток короткого замыкания с температурой увеличивается медленнее, чем падает U_{x х}, и это приводит к тому, что отдаваемая мощность имеет отрицательную температурную зависимость.

Для ФД важно знание обратной ветви вольт-амперной характеристики. Величина обратного темпового тока определяет порог чувствительности фотодиода. Чем меньше величина обратного темнового тока, тем выше порог чувствительности и тем эффективнее фотодиод, особенно при низких освещемшетях.

Как следует из элементарной теории р-п перехода, обратный темновой ток через р-п переход вызван диффузией неосновных носителей из р- и я-областей и равен току насыщения /₀. В соответствии с теорией ток насыщения /₀ должен быть очень мал (примерно 10^-10 А/см²) и не должен зависеть от напряжения. Экспериментально подобный характер изменения темнового тока наблюдается для германиевых ФД. Для кремниевых ФД экспериментальные значения тока и зависимость его от температуры и напряжения несколько отличаются от теоретических. Зависимость обратного тока от напряжения можно получить, если предположить, что е области объемного заряда имеются центры генерации носителей, которые дают дополнительное увеличение обратного тока и поток которых определяет плотность тока генерации /_ген. Величина тока генерации